基于歐洲標準的圓管涵包封設計及應用

侯利明，湯春林

(中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安　710075)

?

基于歐洲標準的圓管涵包封設計及應用

侯利明，湯春林

(中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安710075)

摘要：以阿爾及利亞項目為工程背景，以圓管涵作為研究對象，采用外包混凝土的措施對圓管涵進行優化，提出了兩種包封方案，分別計算和分析了使用階段應力情況，通過計算結果可知圓管涵包封混凝土后承載力顯著提高，可應用于高填土路段。

關鍵詞：圓管涵；包封混凝土

1高填土圓管涵設計

圖1為阿爾及利亞項目直徑為1.5 m的圓管涵，適用于6 m以下的填土高度。其所受荷載主要是填土荷載和車輛荷載，車輛荷載可等代為填土荷載，由于土壓力不是等值的徑向荷載，豎直方向荷載大于水平方向荷載，在圓管涵頂部、底部及兩側會產生較大的彎矩，頂部、底部的內截面及兩側的外截面產生拉應力。當填土高度超過6 m，圓管涵恒載增大較多，會導致圓管涵開裂，承載力不滿足要求。

圖1　適用于填高6 m的圓管涵構造圖

為了使圓管涵應用于超過6 m的填土路段，在圓管涵外全包封素混凝土以改善圓管涵頂部、底部及側面的受力，從而提高圓管涵的承載力。針對適用于18 m填土高度的圓管涵，現提出兩種包封方案。方案一：在圓管涵外全包封25 cm的素混凝土，并將外輪廓做成矩形，使包封混凝土與圓管涵基座成為一個整體，同時也方便模板的施工，如圖2所示；方案二：在方案一的基礎上對包封混凝土上部的兩個頂角進行優化，這樣保證關鍵部位受力影響不大的情況下可節省一部分混凝土，如圖3所示。

圖2　包封圓管涵方案一

圖3　包封圓管涵方案二

2包封混凝土圓管涵計算及分析

2.1結構計算模型及計算假定

(1)阿爾及利亞項目設計采用歐洲標準，因此本文包封混凝土圓管涵計算也同樣采用歐洲標準。

(2)為了精確分析包封混凝土圓管涵實際受力情況，采用八節點實體模型進行計算分析，取包封混凝土圓管涵1 m長度作為分析模型。

(3)圓管涵及包封混凝土均采用RN27混凝土，容重25 kN/m3，彈性模量11 100 MPa。

(4)豎向土壓力按土的自重均勻作用在頂板，土體容重20 kN/m3，側土壓力按靜土壓力計算，靜土壓力系數取K0=1Isinφ=1Isin(30°)=0.5。

(5)活載采用歐洲規范中的公路橋梁車輛荷載，主要包括A荷載、B系列荷載、軍事系列荷載和特殊荷載等4個大類，這四類車輛荷載分別與結構自重及填土壓力荷載組合，以最不利組合結果驗算ELS狀態下結構的拉應力和壓應力是否滿足規范要求。

2.2結構計算結果及分析

通過對兩種模型各個工況計算可得最不利荷載組合為：

1.06×1111×+1.05×11111+1.0×D2401111，其應力結果如下。

(1)方案一應力計算結果：

圖4　Sxx方向應力結果

圖5　Szz方向應力結果

從圖4、圖5可以看出，結構最大拉應力為1.52 MPa，滿足規范2.22 MPa要求，包封圓管涵不會開裂。最大壓應力為3.13 MPa，滿足規范16.2 MPa要求。

(2)方案二應力計算結果：

圖6　Sxx方向應力結果

圖7　Szz方向應力結果

從圖6、圖7可以看出，結構最大拉應力為1.45 MPa，滿足規范2.22 MPa要求，包封圓管涵不會開裂。最大壓應力為3.2 MPa，滿足規范16.2 MPa要求。

根據應力計算結果分析可知包封混凝土圓管涵受力最不利位置同樣在管頂、管底和管側部位，與圓管涵相比這幾個部位拉應力顯著降低，可適用于18 m填土高度。包封方案二相比方案一拉應力減少了0.07 MPa，壓應力增加了0.07 MPa，此結構為拉應力控制，因此方案二的受力性能更好，且節省了兩個頂角的混凝土。

3結論

(1)包封混凝土后的圓管涵承載能力遠遠大于包封前的承載力，可應用于高填土路段。

(2)通過兩種包封方案結果對比可知，方案二用料更省，受力更優。目前阿爾及利亞項目普遍采用方案一，從用料及受力性能方面考慮，推薦采用方案二。

(3)直徑1.5 m圓管涵包封25 cm素混凝土可適用于18 m填高，低于18 m可根據實際填高對包封厚度進行調整。

(4)包封混凝土圓管涵相比蓋板涵，箱涵，拱涵有施工方便，造價低等優點。

參考文獻：

[1]《applicables aux marchés de travaux publics relevant des services de l′équipement》 Fascicule 61 Titre II PROGRAMMES DE CHARGES ET éPREUVES DES PONTS-ROUTES.

[2]《BAEL 91MOD.99》

Based on european standards encapsulation pipe culvert design and application

HOU Li-ming，TANG Chun-lin

(First Highway Survey and Design Institute Ltd.,Xi'an,Shanxi 710075,China)

Abstract:Based on the engineering background of Algeria project, used pipe culvert as the research object, the paper adopt the measure of encapsulating concrete to optimize the pipe culvert, put forward two encapsulation scheme, and separately analyzed the stress situation of ELS phase. Through calculating result we know the bearing capacity of encapsulating concrete pipe culvert was significantly increased. And the encapsulating concrete pipe culvert can be applied to highly-filled soil road.

Keywords:pipe culvert;encapsulating concrete

中圖分類號：U416.1

文獻標識碼：C

文章編號：1008-3383(2016)03-0050-02

作者簡介：侯利明(1986-)，男，陜西人，工程師，研究方向：橋梁設計標準化。

收稿日期：2016-01-10